Las estructuras de bouligand, que se encuentran en materiales naturales como escamas de pescado, peritoneo y huesos de langosta, son conocidas por proporcionar propiedades mecánicas excepcionales a los biomateriales. Si bien se han logrado avances en la creación de materiales bioinspirados, la mayor parte de la investigación se ha centrado en unir las fibras. Ahora se necesita una comprensión más profunda de cómo interactúan las fibras para mejorar las funciones mecánicas.
Un equipo de investigación dirigido por el académico Yu Shuhong de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia de Ciencias de China (CAS) ha introducido una estructura Bouligand bioinspirada con una interfaz interfibrosa jerárquica y reconfigurable que aumenta significativamente la resistencia mecánica y la tenacidad a través de transferencia dinámica de carga y disipación de energía, ofreciendo una nueva estrategia para crear materiales estructurales avanzados.
El artículo se publica en la revista Science Advances. .
Inicialmente, el equipo había utilizado nanofibras de celulosa bacteriana como matriz modelo, pero tuvo dificultades para comprender cómo la orientación de las nanofibras influía en el comportamiento micromecánico. Para abordar este problema, realizaron simulaciones de dinámica molecular a gran escala con diferentes ángulos de orientación.
Los resultados revelaron que la optimización de la dimensión de la red de enlaces de hidrógeno a través de estructuras de entrecruzamiento mejoró la capacidad de transferencia de carga y la resistencia al daño.
Además, el equipo observó que los ángulos de orientación excesivos debilitaban la eficiencia de transferencia de carga y la densidad de los enlaces de hidrógeno entre cadenas, lo que resultaba en una disminución de las propiedades mecánicas. Esto destacó la importancia de un orden moderado para una interacción interfacial óptima.
El orden moderado integró la microestructura y los enlaces de hidrógeno, superando el orden estructural alto debido a las compensaciones entre la orientación estructural, el entrelazado de fibras y las dimensiones de la red de enlaces de hidrógeno.
Además, el equipo identificó una gran zona de sombra alrededor de las grietas y reveló micromovimientos de primitivas de nanofibras. Se utilizó luz de polarización cruzada para monitorear este micromovimiento dentro de la capa de membrana, lo que permitió la preparación de materiales estructurales de Bouligand bioinspirados con acoplamiento multiescala mediante apilamiento helicoidal y densificación por prensado en caliente.
La estructura Bouligand bioinspirada de USTC, habilitada por un orden moderado, exhibe propiedades mecánicas y estabilidad dimensional sobresalientes, y puede tener aplicaciones en campos biomédicos como la reparación y el reemplazo de tejido de fibrocartílago.
Más información: Si-Ming Chen et al, Interfaz interfibrosa jerárquica y reconfigurable de estructura Bouligand bioinspirada habilitada por un orden moderado, Avances científicos (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl1884
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de China
